叶绿素荧光参数(2020-12)

读《叶绿素荧光参数及其定义》有感

? ——打败你的不一定是同行，也有可能是跨界的

自己入门的地方应该算是叶片水分生理，所以更多的精力也是放在了水分生理上，虽然对光合生理也有了解但是仍然不够深入（其实水分生理的了解也是皮毛）。从入学开始就对光合生理中电子传递存有一种敬意，觉得人家高大上，更有甚者被有些人嘲笑我的实验是五毛钱的实验，所以觉得做它的人“有些厉害”，故而一直没有研究过光合电子传递，没有学习过叶绿素荧光参数，直到昨天在看到一篇文章后发现其实它也没有我所想的那么厉害，现总结如下：

首先第一个问题是测量叶绿素荧光有何用处。通俗的来讲，假如叶片是一个接受光能的池子，那么接收来的光能总共有三个去向，通过电子传递链传给光化学反应中心；以热能的形式散失掉；最后一种便是激发出叶绿素荧光。也就是三者的和为1，可能你没法同时得出三者的相对值但是你可以通过排除掉其中一个通道然后测量并计算另外的两个，很明显这里可以直接测量的就是叶绿素发生的荧光，那么相对应的能够排除的或者说能够抑制住的便是用于光化学反应的通路，计算的便是热耗散的部分。这就是为什么要测叶绿素荧光（一堆大白话，绝不是一个科研人能够写出来的，但考虑到自己笨，所以要多包涵）。

那么什么又是叶绿素荧光呢？简单来讲就是叶绿素分子消耗能量的一种方式。初中物理我们便学过能量越高的物体越不稳定，当叶绿素分子接收光能后会从基态跃迁至激发态，接受能量后的激发态叶绿素分子不稳定，那么部分能量会在叶绿素分子之间进行传递直到传递给叶绿素a用于光化学反应，部分能量以热量的形式耗散掉，最后便是从最低激发态到基态放出的荧光。而且应该注意的是激发能从叶b到叶a的传递效率几乎是百分百，因此检测不到叶绿素b发出的荧光，再者光系统Ⅰ的叶绿素a分子发出的荧光很少基本可以忽略不计。因此在谈到活体荧光时指的就是光系统Ⅱ的叶绿素a发出的荧光。

最后一个问题便是叶绿素测量原理及参数意义。

首先测量光是指能够激发叶绿素发出荧光（本底荧光）但是不能引起任何光合作用，这时得出的F0便是最小荧光。

而后打开饱和脉冲测量暗适应后的最大荧光。以前特别好奇荧光取样为什么要在早上，不是中午也不是其他什么时候，直到读到这篇文章才真正明白过来。首先我们需要知道在光合电子传递链上有一种叫做质体醌（PQ）的载体，这是整个光合电子传递中的限速步骤（其实限速这两个字有点以偏概全，因为所有的限制都是保障！）。在光合膜上PQ的数量与捕光色素吸收的光子数（微摩尔级）相比是微不足道的（这里便有个问题，既然没办法把电子顺利的传下去，为什么还会有那么多的补光色素？为什么还要捕获那么多的光能？难道这是一种备用机制，当光不足或者光处于波动状态时正因为PQ的存在使得传给PSⅠ的电子处于稳态，也正是这样就可以保证PSⅠ运行的相对稳定，不至于出现大的波动）。因此光合作用进行时，光系统II释放出的电子总是有部分会累积在电子门PQ处，这部分处于还原态（累积电子）的电子门就处于关闭态，或者说光系统II的反应中心处于关闭态。在暗适应过程中，光系统II无法获得光能激发，因此不会继续释放电子，累积在PQ处的电子会继续往光系统I传递，直到所有电子都传递完毕。当PQ处不再累积电子后，暗适应就完成了。而饱和脉冲最大的作用是不但可以激发叶绿素分子而且也会瞬间关闭PQ，使得所有的能量只有荧光和热耗散两个去处。光化学反应被打断因此荧光迅速达到最大值即测得的Fm。饱和脉冲的持续时间为0.2-1.5s，强度非常强，高等植物为8000-10000μmol m-2 s-1，藻类约为4000。

饱和脉冲关闭后荧光迅速回到Fo附近，然后打开光化光（能够引起光合作用），记录叶绿素荧光从黑暗转到光照的响应过程。曲线平衡时即为荧光逐渐下降并达到稳态。此时，处于关闭态的电子门数量达到动态平衡，也就是说光系统II和光系统I达到了动态平衡。

这里根据F0和Fm这两个参数可以计算光系统二的最大光合效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，它反映了植物潜在的最大光能转化效率。绝大多数高等植物的Fv/Fm在0.8-0.85之间，当Fv/Fm下降时，代表植物受到了胁迫。

打开光化光进行光合诱导时PQ处积累的电子会因为电子门的部分打开而逐渐减少，此时再给一个饱和脉冲，本来处于开放状态的电子门再次关闭，此时本应用于光合作用的能量又重新转化为了叶绿素荧光和热量，此时得到的叶绿素荧光峰值为Fm'。因此这便可以计算当前光照条件下光系统二的实际光合效率用Y(Ⅱ)表示Y(II)=ΦPSII=ΔF/Fm’=(Fm’-F)/Fm’(Genty et al., 1989)，它反映了光合机构目前的实际光能转换效率。在荧光诱导过程中，不仅F会逐渐达到稳态，Fm’也会逐渐达到稳态。实际上，只有F和Fm’都达到稳态了，也就是Y(II)达到稳态了，才是真正的达到了稳态光合作用阶段。

荧光淬灭：说的很高大上，但实际上就是荧光没了，从Fm高于稳态的F就可以看出来，Fm为所有电子门关闭的时候产生的荧光，而F为一部分荧光没了以后的实时荧光，那么淬灭的部分去哪儿了呢？依然是两个方向，其一是热耗散，称为非光化学淬（NPQ）；其二是光化学淬灭，即这部分能量经过电子门传向了光系统Ⅰ用于光合作用?（qP或qL）。光化学淬灭反映了植物光合活性的高低；非光化学淬灭反映了植物耗散过剩光能为热的能力，也就是光保护能力。

为了表征光系统II吸收的激发能的去向，Genty等(Cailly et al., 1996; Genty et al., 1996)提出了三个互补的量子产量参数ΦII=(Fm’-F)/Fm’、ΦNPQ=F/Fm’-F/Fm和ΦNO=F/Fm，即现在通常所说的Y(II)、Y(NPQ)和Y(NO)，且Y(II)+Y(NPQ)+Y(NO)=1。我们已经知道Y(II)代表光系统II吸收后用于光化学反应的那部分能量，剩余的未做功的能量可以分成两个部分Y(NO)和Y(NPQ)。Y(NO)代表的是被动的耗散为热量和发出荧光的能量，主要是由关闭态的光系统Ⅱ反应中心提供；

Y(NO)代表的是被动的耗散为热量和发出荧光的能量，主要由关闭态的光系统II反应中心贡献；Y(NPQ)代表的是通过调节性的光保护机制耗散为热的能量(Klughammer and Schreiber, 2008)。在强光下当Y(II)接近于零时，若Y(NPQ)较高，说明藻细胞具有较高的光保护能力；若Y(NO)较高，说明藻细胞失去了在过剩光下自我保护的能力。在给定的环境条件下，最理想的调节机制是通过保持尽量大的Y(NPQ)/Y(NO)比值，来获得尽量大的Y(II)。参考北京澳作生态仪器——《叶绿素荧光及其参数定义》。

是的。

叶绿素荧光成像测量必须能够对Ft、Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、ETR、Abs.、NIR、Red等17种参数进行成像分析。

1834年传教士Brewster观察到月桂叶子的乙醇提取液在透射光下由绿色变为红色。1852年Stokes认识到荧光是一种光发射现象，并首次使用了“fluorescence”一词。1874年Müller发现叶绿素溶液稀释后，荧光强度比活体叶子的荧光强得多，并提出叶绿素荧光和光合作用之间可能存在相反的关系。1931年Kautsky和Hirsch用肉眼观察并记录了叶绿素荧光诱导现象，发现叶绿素荧光强度随时间而变化，并与CO2的固定有关。1975年Plascyk提出FLD（夫琅禾费暗线提取算法）从遥感角度获取荧光。1983年Schreiber设计制造了调制叶绿素荧光，全称脉冲振幅调制（Pulse-Amplitude-Modulation,PAM）叶绿素荧光，国内一般简称调制叶绿素荧光仪。